[논문 리뷰] Water Boiling inside Carbon Nanotubes: Towards Efficient Drug Release

Vitaly V. Chaban, Oleg V. Prezhdo|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 07.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 59인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 탄소 나노튜브(CNTs)에 갇힌 물이 끓는점이 크게 상승하고, 끓는점 약간 위에서 압력이 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 저자들은 CNTs가 극성 약물을 봉입하고 국소 가열에 의해 내부 물의 끓음으로 인해 CNT 뚜껑이 파손되어 정밀하게 약물을 방출하는 레이저 촉발 약물 전달 시스템을 제안한다.

ABSTRACT

We show using molecular dynamics simulation that spatial confinement of water inside carbon nanotubes (CNT) substantially increases its boiling temperature and that a small temperature growth above the boiling point dramatically raises the inside pressure. Capillary theory successfully predicts the boiling point elevation down to 2 nm, below which large deviations between the theory and atomistic simulation take place. Water behaves qualitatively different inside narrow CNTs, exhibiting transition into an unusual phase, where pressure is gas-like and grows linearly with temperature, while the diffusion constant is temperature-independent. Precise control over boiling by CNT diameter, together with the rapid growth of inside pressure above the boiling point, suggests a novel drug delivery protocol. Polar drug molecules are packaged inside CNTs; the latter are delivered into living tissues and heated by laser. Solvent boiling destroys CNT capping agents and releases the drug.

연구 동기 및 목표

• 탄소 나노튜브(CNTs)에서 극한의 봉착 조건 하에서 물의 열역학적 거동을 조사하기 위해.
• 봉착이 물의 끓는점과 압력 반응에 어떻게 영향을 주는지 이해하기 위해.
• 국소 가열에 의해 촉발되는 나노스케일 약물 전달 차량으로 CNTs의 가능성을 탐색하기 위해.
• 내부 끓음에 의해 유도된 제어된 빠른 약물 방출을 가능하게 하는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 의료 응용 분야에서 자극에 반응하는 운반체로서 CNTs의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 다양한 지름을 가진 단일벽 탄소 나노튜브에서 물을 모델링하기 위해 고전적 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 기본 상태의 끓는점 이상의 온도 램프를 적용하여 상전이 및 압력 변화를 관찰하였다.
• 관류 이론을 적용하여 끓는점 상승을 예측하고 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
• 이상적인 물 거동을 규명하기 위해 반경 방향 분포 함수, 이동도 계수, 압력-온도 관계를 분석하였다.
• CNT 뚜껑의 기계적 안정성과 내부 압력 축적에 따른 파손 여부를 평가하였다.
• 극성 약물 분자를 CNT 내에 봉입하고 끓음에 의해 유도된 뚜껑 고장에 따른 방출을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄소 나노튜브 내의 공간 봉착이 물의 끓는 온도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 2nm 지름 이하에서 관류 이론이 CNT 내 끓는점 상승을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 좁은 CNT 내에서 물의 열역학적 및 운반 성질은 무엇이며, 특히 끓는점 이상에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 끓는점 이상에서 발생하는 압력 급증을 제어된 약물 방출에 활용할 수 있는가?
• RQ5 CNT 내에서 물의 거동은 압력과 이동도 측면에서 기체 상태 물질과 어떻게 다를까?

주요 결과

• CNT 내에서 물의 끓는점은 지름이 작아질수록 크게 상승하며, 2nm 이하에서는 관류 이론과의 편차가 관찰된다.
• 끓는점 이상에서 내부 압력은 온도 상승과 함께 급격히 증가하여 경미한 가열로도 빠른 방출이 가능해진다.
• 좁은 CNT 내(<2nm)에서는 물이 기체 유사한 압력-온도 의존성과 온도에 독립적인 이동도 계수를 나타낸다.
• 좁은 CNT 내에서의 이례적인 상 거동은 고압축성과 낮은 이동도를 가지는 별개의 상태를 시사한다.
• 물과 약물을 봉입한 CNT를 레이저로 가열하면 뚜껑 파손이 유도되고 효율적이고 국소적인 약물 방출이 가능하다.
• 이 시스템은 외부 자극을 최소화하면서 정밀하고 즉각적인 약물 전달이 가능하며, 봉착된 물의 고유한 열역학적 성질을 활용한다.